發(fā)布時間：2021-12-30所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:由于電力行業(yè)的特殊性,承載其業(yè)務傳輸?shù)碾娏νㄐ啪W(wǎng)的可靠性逐步受到了重視,隨著電力通信網(wǎng)架建設不斷完善,網(wǎng)絡逐漸表現(xiàn)出垂直分層化的特點,使得跨層聯(lián)合保護成為可能。文中針對電力通信網(wǎng)設計了一種基于網(wǎng)絡編碼的跨層保護策略(crosslayerprotectionbasedonnetwor
摘要:由于電力行業(yè)的特殊性,承載其業(yè)務傳輸?shù)碾娏νㄐ啪W(wǎng)的可靠性逐步受到了重視,隨著電力通信網(wǎng)架建設不斷完善,網(wǎng)絡逐漸表現(xiàn)出垂直分層化的特點,使得跨層聯(lián)合保護成為可能。文中針對電力通信網(wǎng)設計了一種基于網(wǎng)絡編碼的跨層保護策略(crosslayerprotectionbasedonnetwork coding,CLPBNC)。在IP層利用網(wǎng)絡編碼為鏈路提供保護,在光傳輸網(wǎng)中利用預置圈恢復鏈路故障,并研究跨層聯(lián)合保護的條件,進而提高保護效率。仿真結(jié)果表明,CLPBNC可以有效降低保護冗余度,提高保護效率進而優(yōu)化網(wǎng)絡的整體性能。
關鍵詞:電力通信網(wǎng);網(wǎng)絡編碼;鏈路保護;跨層聯(lián)合優(yōu)化
0 引言
電力通信網(wǎng)是全球能源互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐,是實現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠運行的重要基石。邊緣計算、軟件定義網(wǎng)絡(softwaredefinenetwork,SDN)等通信新技術(shù)逐步在電力通信網(wǎng)中應用,使得電力通信網(wǎng)所承載的業(yè)務更加多樣化,進而對電力通信網(wǎng)提出了更高的需求。電力通信網(wǎng)由傳輸網(wǎng)、業(yè)務網(wǎng)以及支撐網(wǎng)組成。傳輸網(wǎng)和業(yè)務網(wǎng)共同構(gòu)成業(yè)務承載的網(wǎng)絡,傳輸網(wǎng)包括光纜、光通信系統(tǒng)等設備,業(yè)務網(wǎng)中的綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)數(shù)據(jù)包的主要傳輸網(wǎng)絡[1-3]。為了保證電力業(yè)務在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時可以進行線路倒換,目前IP傳輸網(wǎng)大多通過快速重路由方式(FRR)進行故障恢復,在光網(wǎng)絡中采用保護效率較低的“1+1”雙路由或者雙向線路倒換環(huán) (BLSR)等保護手段[4-6]。由于不同層的保護手段相對獨立且保護冗余度高,隨著電力業(yè)務數(shù)量的上升, 網(wǎng)絡資源將會很快耗盡,降低了網(wǎng)絡整體性能。為了提高電力通信網(wǎng)的保護效率,文獻[7-8]采用預置圈對電力業(yè)務進行保護,提高了光網(wǎng)絡中的保護資源利用率。
《國家電網(wǎng)公司“十三五”通信網(wǎng)規(guī)劃》中指出, 截至2017年,電力通信網(wǎng)為了滿足業(yè)務傳輸?shù)男枨?電力通信網(wǎng)已經(jīng)逐步形成光傳輸網(wǎng)(OTN)和同步數(shù)字體系(SDH)的雙平面架構(gòu),完成綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)兩級扁平化網(wǎng)絡架構(gòu)改造。網(wǎng)絡扁平化為跨層聯(lián)合保護的實現(xiàn)提供了基礎,目前針對 IP網(wǎng)絡與光網(wǎng)絡的跨層聯(lián)合保護方面的研究,通常將IP層設備連接視為邏輯拓撲,光網(wǎng)絡中的設備連接視為物理拓撲,結(jié)合虛拓撲中的相關理論,完成對跨層保護的優(yōu)化[9]。文獻[10]提出了一種針對異構(gòu)虛擬網(wǎng)絡的基于網(wǎng)絡編碼的保護方法,文中將保護環(huán)與網(wǎng)絡編碼相結(jié)合,減少了備份資源的消耗。文獻[11]中將“1+1”保護與網(wǎng)絡編碼保護相結(jié)合,討論了網(wǎng)絡編碼保護的局限性,并將“1+1”保護方法與之結(jié)合擴展了網(wǎng)絡編碼保護的適用范圍,對網(wǎng)絡編碼鏈路保護理論進行補充。但是由于網(wǎng)絡編碼保護方法對于網(wǎng)絡聯(lián)通度與節(jié)點計算能力要求較高, 實際中難以直接將其應用于光網(wǎng)絡中。
為了提高保護效率,針對光網(wǎng)絡中會對上層保護通道進行二次保護進而造成的帶寬資源浪費這一問題,本文提出了一種基于網(wǎng)絡編碼的跨層保護策略(crosslayerprotectionbasedonnetworkcoding, CLPBNC),并且在跨層保護中,IP層被視為邏輯拓撲[12],其網(wǎng)絡連通度相比于實際物理拓撲較高,且 IP層設備計算能力較強,可以完成對于信息的編碼解碼操作。針對這一情況,本文在IP層使用網(wǎng)絡編碼保護策略,在光網(wǎng)絡中使用預置圈進行保護,并研究了跨層保護中保護重疊的條件,提高了整體算法的保護性能。
1 電力通信網(wǎng)層級架構(gòu)及網(wǎng)絡編碼原理
1.1 電力通信網(wǎng)分層模型
在電力通信網(wǎng)中,對于不需要專線傳輸?shù)臉I(yè)務, 信息傳輸上層采用IP網(wǎng)絡,下層采用光傳輸網(wǎng),在信息傳輸時,光網(wǎng)絡設備根據(jù)IP層的業(yè)務請求需求來建立對應的光纖鏈路。本文將IP層設備視為邏輯拓撲中的節(jié)點,邏輯拓撲記為GL(VL,EL),VL 和 EL 分別為邏輯拓撲中的節(jié)點和邊,邏輯拓撲中的節(jié)點為在IP層傳輸?shù)男畔⑻峁┞酚珊娃D(zhuǎn)發(fā),并且具備網(wǎng)絡編碼的能力;下層光傳輸設備視為物理拓撲中的節(jié)點,物理拓撲記為 Gp(Vp,Ep),Vp 和 Ep 分別為物理拓撲中的節(jié)點和邊,物理拓撲中的節(jié)點為光網(wǎng)絡中傳輸?shù)男畔⑻峁┲欣^和轉(zhuǎn)發(fā),通常為光網(wǎng)絡中的設備。邏輯拓撲建立在物理拓撲之上,邏輯拓撲中的鏈路可能為物理拓撲中的鏈路,也可能為多條物理鏈路組成的路徑,即物理拓撲中2個節(jié)點連通,邏輯拓撲中2個節(jié)點間存在中繼鏈路連接。
目前,在為業(yè)務通道配置倒換路徑的情況下,IP 層和光傳輸層中的網(wǎng)絡保護是相互獨立的,即在光傳輸層中不包含任何IP層中路徑保護的狀態(tài)信息, 所有的IP層業(yè)務請求都會被視為需要被保護。光傳輸層為IP層請求配置傳輸路徑并為其配置保護路徑以應對單一鏈路故障。在光傳輸層需要為業(yè)務通道的主用路由和備用路由同時配置保護路徑,從而造成保護資源重疊,導致通信網(wǎng)中保護資源的大量冗余[13]。
以江蘇“源—網(wǎng)—荷”系統(tǒng)中的智能負控系統(tǒng)為例,如圖1所示。變電站為邏輯拓撲中的節(jié)點,電力信息通信網(wǎng)中的其余傳輸設備為物理拓撲中的節(jié)點。在控制子站中部署了2套相同的切負荷控制裝置,2套控制裝置使用不同的SDH 設備通過同一個光電轉(zhuǎn)化設備接入電力通信骨干網(wǎng),在電力通信骨干網(wǎng)中,由2組光纖進行傳輸。對于下層傳輸?shù)墓饩W(wǎng)絡,不能辨別變電站 A 光電轉(zhuǎn)換設備所發(fā)出的光信號是否為備用設備所發(fā)出,在下層傳輸時依然為其配置了備份保護,造成了保護資源的浪費。
1.2 網(wǎng)絡編碼保護模型
網(wǎng)絡編碼是指在網(wǎng)絡傳輸?shù)倪^程中,傳輸?shù)闹虚g節(jié)點對多個業(yè)務信息流進行線性編碼,網(wǎng)絡編碼增加了中間節(jié)點單次輸出的信息量,進而提高網(wǎng)絡整體性能[14]。文獻[15]基于 SDN 實現(xiàn)了編碼,奠定了本文在IP層編碼鏈路保護的基礎。同時,由于網(wǎng)絡編碼技術(shù)提高了網(wǎng)絡的信息傳輸能力,在節(jié)點計算能力較強的網(wǎng)絡中,可以利用網(wǎng)絡編碼技術(shù)完成對 于 鏈 路 故 障 的 恢 復。 具 體 原 理 如 附 錄 A 圖 A1(a)所示,鏈路 A-E 和鏈路B-F 為工作鏈路, 鏈路C-D 為2條工作鏈路提供保護,圖中各節(jié)點均具有良好的計算能力,節(jié)點C 為編碼節(jié)點,將節(jié)點 A 和節(jié)點B 所發(fā)出的信息進行異或編碼,并將其傳輸至目的節(jié)點。
故障發(fā)生后的倒換過程如附錄 A 圖 A1(b)所示,當工作鏈路B-F 發(fā)生故障時,節(jié)點 F 將會收到空報文或者信息中斷,此時其余目的節(jié)點將接收到的信息進行解碼,并將解碼之后的信息進行轉(zhuǎn)發(fā),圖中,M1 為源節(jié)點A 與目的節(jié)點E 之間的業(yè)務信息流,M2 為源節(jié)點B 與目的節(jié)點F 之間的業(yè)務信息流,節(jié)點E 將 M1 和 M1M2 進行異或運算,表示異或運算,解碼得到 M2 并將其發(fā)送給收故障影響的節(jié)點F,由此完成對于故障的倒換。
當故障發(fā)生時,網(wǎng)絡中編碼的匯總節(jié)點將編碼之后的信息發(fā)給未收故障影響目的節(jié)點,目的節(jié)點結(jié)合自己業(yè)務信息流對編碼之后的信息進行解碼, 將解碼之后的信息傳遞給受故障影響的目的節(jié)點, 由此完成倒換。
2 基于網(wǎng)絡編碼的跨層保護方法
2.1 CLPBNC跨層保護原理
隨著網(wǎng)絡的扁平化發(fā)展,智能IP控制和管理技術(shù)逐漸融入了光網(wǎng)絡中,適用于光網(wǎng)絡的IP層控制協(xié)議逐漸成熟,IP與光傳輸網(wǎng)深度融合使得統(tǒng)一的跨層保護成為可能[16]。邏輯拓撲為上層IP 網(wǎng)絡, 具備了良好的信息處理和計算能力,利用上層網(wǎng)絡的計算能力完成對于信息的編碼和解碼;物理拓撲為網(wǎng)絡的實際拓撲,由光纖、光中繼器等光傳輸設備組成。在信息傳輸之前由控制平面統(tǒng)一為其配置保護通道,發(fā)生故障時沿預先配置的保護通道進行倒換,完成故障的恢復。
在電力通信網(wǎng)中,邏輯拓撲相當于變電站之間所構(gòu)成的網(wǎng)絡,物理拓撲為支撐變電站之間信息傳輸?shù)墓饩W(wǎng)絡。為了實現(xiàn)跨層保護,需要確立2層之間的映射關系,將邏輯拓撲節(jié)點集合 NL 中隨機選取2個節(jié)點映射至物理拓撲,在光網(wǎng)絡中選取通道 Lp 將2個節(jié)點相連。若Lp 存在,則在邏輯拓撲中將2個節(jié)點相連,建立邏輯拓撲中的連接,當所有節(jié)點完成上述過程,則建立了邏輯拓撲與實際拓撲的映射關系。
本文提出的 CLPBNC算法,首先針對邏輯拓撲配置保護,如圖2所示,當邏輯拓撲中發(fā)生單鏈路故障時,受到故障影響的節(jié)點可以利用保護通道上所傳輸?shù)木幋a信息和同組目的節(jié)點的信息進行解碼, 完成故障的恢復。但是,由于物理拓撲的限制,邏輯拓撲中的分離鏈路映射到物理鏈路中時,可能處于相同的物理通道之中。
圖2中,邏輯拓撲鏈路C-D 與鏈路A-F 在物理拓撲中共同使用了物理拓撲鏈路c-d,這就導致鏈路c-d 出現(xiàn)故障時,邏輯拓撲鏈路C-D 和A-F 同時出現(xiàn)故障。事先為其配置的網(wǎng)絡編碼保護方法無法提供多故障的保護,進而造成通信中斷。針對這種邏輯拓撲鏈路映射到物理拓撲鏈路發(fā)生重疊的情況,利用預置圈為物理拓撲鏈路在網(wǎng)絡拓撲中配置新的保護資源。如圖2所示,為物理拓撲鏈路c-d 配置預置圈c-g-d,當鏈路c-d 發(fā)生鏈路故障時,邏輯拓撲中出現(xiàn)多故障的情況無法進行恢復,轉(zhuǎn)至物理鏈路為其進行保護,鏈路c-d 中傳輸?shù)男畔⒔?jīng)過倒換,從路徑c-g-d 傳輸,完成故障的恢復。
CLPBNC算法在邏輯拓撲和物理拓撲中分別使用了可以對抗單鏈路故障的保護方法。為了提高整體的保護效率且更合理地利用資源,CLPBNC 在業(yè)務請求到達時,會優(yōu)先在邏輯拓撲中為業(yè)務請求配置保護。對于邏輯拓撲中無法保護的情況,在物理拓撲中為業(yè)務再次配置保護,以達到提高保護效率的目的。由于在邏輯拓撲中配置的保護可以對抗單鏈路故障,故而只需考慮在物理拓撲中發(fā)生鏈路故障時邏輯拓撲中出現(xiàn)多鏈路故障的情況,具體包括以下2種情況。
1)邏輯拓撲中的工作鏈路和保護鏈路映射至物理拓撲中時有共同的鏈路。這些鏈路故障時,對應的邏輯拓撲中一條工作鏈路和保護鏈路同時出現(xiàn)故障,邏輯拓撲無法完成故障的恢復。
2)邏輯拓撲中的2條工作鏈路由同一條保護通道進行保護。這2條工作通道映射在物理拓撲中經(jīng)過共同的物理通道,在此物理通道發(fā)生故障時,對于邏輯拓撲為發(fā)生了多鏈路故障,因此,在物理拓撲中配置保護,避免在邏輯拓撲中配置多故障恢復手段所帶來的額外開銷。
2.3 算法描述
CLPBNC算法的輸入為網(wǎng)絡拓撲 G 和業(yè)務請求R;業(yè)務請求中需要包括業(yè)務請求的源節(jié)點和目的節(jié)點,Prem L 為邏輯拓撲中可用的剩余保護容量, Prem p 為物理拓撲中可用的剩余保護容量,CLPBNC 的算法流程圖見附錄 A 圖 A2。具體步驟如下。
步驟1:輸入網(wǎng)絡拓撲 G,配置鏈路權(quán)重,鏈路權(quán) 重 為 對 應 鏈 路 長 度,使 用 straddling link algorithm(SLA)圈生成算法生成備選預置圈集合并對其進行2次擴張,生成備選圈集合,并且建立邏輯拓撲與實際拓撲之間的映射關系。
步驟2:等待業(yè)務請求R 到達。
步驟3:當業(yè)務請求R 到達時,在邏輯拓撲中使用 Dijkstra算法為其搜索工作鏈路 WL。如果工作鏈路WL 可用則轉(zhuǎn)至步驟4,否則阻塞該業(yè)務。
步驟4:將邏輯拓撲中的工作鏈路 WL 映射至物理鏈路 之 中,得 到 物 理 鏈 路 中 的 工 作 路 徑 Wp。在邏輯拓撲中首先使用 Prem L 中的容量對工作鏈路進行保護,分析物理拓撲中需要保護的工作容量,并在Prem p 中選取通道為其提供保護。
步驟5:為邏輯拓撲中未被保護的工作容量配置網(wǎng)絡編碼保護,分析在物理拓撲中需要保護的工作容量。若無需在物理拓撲中配置額外的保護通道,則跳轉(zhuǎn)至步驟7,否則跳轉(zhuǎn)至步驟6。
步驟6:從備選圈集合中選擇合適的備選圈在物理拓撲中提供保護,判斷業(yè)務是否被完全保護,即網(wǎng)絡中出現(xiàn)單鏈路故障,業(yè)務可以通過倒換來保證正常傳輸,如果被保護至步驟7,否則阻塞該業(yè)務。
步驟7:接受請求R,更新物理拓撲中各鏈路剩余可用容量,記錄未被使用的保護容量,更新 Prem L 和Prem p ,返回步驟2。
3 算例分析
為驗證本文所提 CLPBNC 算法對于電力通信業(yè)務保護的有效性,依據(jù)《江蘇省電力公司“十三五” 通信網(wǎng)規(guī)劃報告》,以江蘇省某市的電力通信光纜建設情況作為仿真拓撲,該市電力光纜網(wǎng)絡由 29 個 220kV 及以上的變電站通信站點和48條不同類型的纖芯數(shù)的光纜鏈路組成,附錄 A 圖 A3中節(jié)點14 為調(diào) 度 中 心 節(jié) 點,節(jié) 點 5、節(jié) 點 20 和 節(jié) 點 29 為 500kV 變電站節(jié)點,線上的數(shù)字為光纖內(nèi)纖芯數(shù)量與光纖長度。
本文選取保護效率、冗余度和阻塞率3個指標來驗證本文所提 CLPBNC 在對于電力通信網(wǎng)跨層保護的可靠性,文獻[17]所提 protectingspanning treealgorithm(PSTA)算法、文獻[18]所提shared risk link groups-survivable protecting spanning trees(SSPST)算法和“1+1”主從備份保護方法為對比算法以驗證 CLPBNC 算法在跨層保護中的優(yōu)越性。
表1中給出了網(wǎng)絡編碼倒換的時延仿真結(jié)果。以繼電保護業(yè)務為例,計算采用網(wǎng)絡編碼保護方法在邏輯層對其進行鏈路故障倒換時延。由于網(wǎng)絡編碼時間與業(yè)務大小有關,仿真中,根據(jù)《國家電網(wǎng)公司“十三五”通信網(wǎng)規(guī)劃》所述,500kV 變電站繼電保護業(yè)務流量大小為8 MB。算法整體倒換時間符合電力通信網(wǎng)中的故障倒換時延要求。在仿真中, 在編碼節(jié)點進行編碼的平均耗時為0.78 ms,與鏈路傳輸和節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)耗時相近。當保護鏈路需要保護的工作鏈路越多時,倒換時延將會上升,第2組數(shù)據(jù)中,3條工作鏈路共享一條保護通道,倒換耗時達到了4.12ms。第1組仿真比第3組仿真的倒換耗時多0.45ms,但其保護效率相同,原因是由于保護路徑選取較長,在網(wǎng)路中傳輸耗費了較多時間。
附錄 A 圖 A4中展示了在不同鏈路請求數(shù)的情況 下 不 同 保 護 方 法 的 保 護 效 率,本 文 所 提 出 的 CLPBNC有著較效率高的保護效率,并且隨著業(yè)務請求數(shù)的上升保護效率呈現(xiàn)上升的趨勢。在業(yè)務量為5000時,CLPBNC的保護效率為0.91,PSTA 算法的保護效率為 0.82,SSPST 算 法 的 保 護 效 率 為 0.85,傳統(tǒng)的主從備份的保護效率為0.29;業(yè)務量上升 至 12000 時,CLPBNC 的 保 護 效 率 為 1.14; PSTA 算法的保護效率為1.05,SSPST 算法的保護效率為1.06,主從備份保護的保護效率為0.43。傳統(tǒng)的主從備份由于在上層邏輯拓撲中為工作鏈路配置保護之后,在物理拓撲之中將保護容量視為工作容量進行了二次保護故而在業(yè)務量較大時,其保護效率依然很低,相比于 PSTA 算法和 SSPST 算法, CLPBNC算法保護效率更高,原因是在光層與IP 層,本算法采用了更有效率的共享保護方法。
圖4中展示了在不同業(yè)務請求數(shù)下不同算法的保護冗余度對比,相比于其他的算法,本文所提的 CLPBNC整體冗余度較低,在業(yè)務量上升時,冗余度不斷降低。在業(yè)務請求量為5000時,CLPBNC 的冗余 度 為 1.01;PSTA 算 法 的 冗 余 度 為 1.22, SSPST 算法的冗余度為1.17,傳統(tǒng)的主從備份保護的冗余度為3.4;業(yè)務量上升到8000時,CLPBNC 的冗 余 度 為 0.918,PSTA 算 法 的 冗 余 度 為 1.03, SSPST 算法的冗余度為1.05主從備份保護的冗余度為3.04;業(yè)務量為12000時,CLPBNC 的冗余度為0.88,PSTA 的冗余度為1.06,SSPST 的冗余度為0.93,主從備份保護的冗余度為2.81。在業(yè)務量較低時,配置的保護中有大量的保護容量處于閑置的狀態(tài),所以冗余度較高,隨著業(yè)務請求數(shù)的上升, 空閑的保護容量不斷降低,冗余度也隨之降低。對于主從備份保護,其在物理層的二次保護導致其在物理層有著大量的冗余保護容量,所以其冗余度一直較高。在業(yè)務量較大時冗余度下降趨勢降低,其原因是因為業(yè)務阻塞率較高,整體網(wǎng)絡接受到的業(yè)務較少,故而冗余度下降趨勢降低。
圖5中為在不同業(yè)務請求數(shù)的情況下,不同算法的阻塞率對比。本文所提出的 CLPBNC 算法在業(yè)務量達到8000時開始出現(xiàn)阻塞,阻塞業(yè)務量為 246,阻塞率為3%,SSPST 算法同樣于業(yè)務量達到 8000時出現(xiàn)阻塞,阻塞量為374。其余算法更早出現(xiàn)阻塞的情況,PSTA 算法在業(yè)務量為7000時出現(xiàn)阻塞,阻塞業(yè)務量為164,阻塞率為2%。主從備份保護在業(yè)務量為5000時開始出現(xiàn),阻塞率約為 3%。隨著網(wǎng)絡接受的業(yè)務增加,不同算法的阻塞率也隨之上升。主從備份保護方法的冗余度上升最快,由于在網(wǎng)絡接受新的請求之后,主從備份保護將會耗費大量的資源為業(yè)務提供保護,故而上升速度最快。CLPBNC的阻塞率上升速度最慢,因為在物理鏈路中,CLPBNC最初配置了較多的預置圈保護資源,業(yè)務量較低時存在著閑置的保護容量,在網(wǎng)絡業(yè)務請求數(shù)量上升時,CLPBNC 算法會優(yōu)先使用這部分閑置的保護容量,在網(wǎng)絡新接受業(yè)務請求時,所需配置的保護資源較少,因此阻塞率最低。
4 結(jié)語
本文研究了電力通信網(wǎng)中的跨層聯(lián)合保護方法,提出了一種基于網(wǎng)絡編碼的跨層保護方法,為電力業(yè)務提供可靠的跨層聯(lián)合保護。首先分析了電力通信網(wǎng)中跨層保護的模型,之后提出了基于網(wǎng)絡編碼的跨層保護方法,在上層充分利用節(jié)點計算能力, 使用網(wǎng)絡編碼對鏈路進行保護,并分析下層保護的條件實現(xiàn)聯(lián)合保護,最終達到提高保護效率的目的。未來可以考慮風險因素對于跨層保護的影響,對不同業(yè)務實現(xiàn)差異化的跨層聯(lián)合保護優(yōu)化。——論文作者：李 彬1,賈濱誠1,孫 毅1,祁 兵1,景棟盛2,奚培鋒3
參 考 文 獻
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